在锂离子电池（LIB）生产中，基于水的阴极和硅阳极与无溶剂电极的经济性和环境评估

《Applied Catalysis B-Environment and Energy》：Economic and environmental assessment of water-based cathode and silicon anode vis-à-vis solvent-free electrodes in LIB production

　　本研究探讨了水基正极与硅负极协同应用及干涂电极技术对锂离子电池制造流程的影响，采用基于价值流图的模型评估了参数不确定性下的经济与环境影响。结果表明，水基正极与硅负极组合（SC2）在成本（节省5-8%）和碳足迹方面表现最优，而干涂电极技术（SC3）虽能降低能耗（达41-45%），但受制于设备投资增加和运营条件波动，成本效益有限，部分场景下甚至导致成本上升。研究为电池制造技术升级提供了系统性评估方法。

　　在当前全球对锂离子电池（LIB）的需求不断增长的背景下，新的材料化学和工艺技术正受到高度重视，以减少电池的制造成本和碳足迹。电池制造工艺链的复杂性决定了产品和工艺之间的高度依赖性，因此，任何材料或工艺的改变都可能引发一系列连锁反应，影响整个生产流程。本文通过引入一种基于价值流映射（VSM）的建模方法，评估了水基正极和硅负极组合工艺与溶剂自由电极通过干式涂布技术在电池制造流程中的影响。与传统的基于确定性参数的高阶计算模型相比，这种方法提供了更加详细和全面的见解，有助于在不确定因素存在的前提下，对新技术进行深入分析。

### 材料与工艺的选择

在考虑新的材料和工艺技术时，需要关注其对制造成本和环境影响的潜在变化。本文探讨了三种不同的制造场景：SC1（基于NMP的正极）、SC2（硅负极与水基正极组合）和SC3（溶剂自由电极）。其中，SC2被认为是最具前景的技术，可能带来5-8%的成本节省。而SC3虽然具有一定的成本优势，但其成本节省范围较小，仅在2-4%之间，但在某些情况下也可能出现约2%的成本增加。这种差异源于不同的工艺参数变化，例如在水基正极的制造过程中，由于干燥时间延长，可能需要降低涂布速度或增加干燥室长度，从而对整体成本产生影响。

此外，SC2和SC3在碳足迹方面表现相似，但在成本-碳足迹矩阵中，SC2展现出更大的经济优势。这是因为硅负极的理论容量远高于传统石墨负极，可以显著降低电极层的厚度，从而减少材料使用量和相关成本。尽管硅负极的体积膨胀问题可能带来一定的性能挑战，但通过优化材料设计和工艺调整，这些问题可以被有效缓解。

### 工艺链的变化与影响

电池制造工艺链的复杂性意味着任何材料或工艺的引入都会对生产流程中的各个环节产生影响。例如，引入水基正极可能导致不需要使用NMP溶剂回收设备，从而减少能耗和相关成本。然而，由于水的高蒸发压力和表面张力，干燥过程中可能产生裂纹，这需要在工艺参数设计上进行优化，以确保电极的质量。

硅负极的引入则意味着对电极设计的重新思考。由于硅的理论容量是石墨的11倍，因此可以显著减少电极层的厚度，从而减少所需的涂布和干燥时间。然而，硅负极在实际应用中仍面临一些挑战，如体积膨胀和循环寿命等问题。这些技术问题的解决将有助于提升硅负极的商业化潜力。

溶剂自由电极通过干式涂布技术则彻底改变了传统电极制造流程。这种技术不仅减少了对溶剂的需求，还降低了涂布和干燥步骤的能耗。同时，它也减少了电极制造过程中对气体的依赖，从而降低了整体的碳足迹。然而，干式涂布技术在当前阶段仍处于初级阶段，其工艺参数（如涂布速度）尚未完全成熟，这可能影响其在实际生产中的应用效果。

### 成本与碳足迹的建模分析

本文采用了一种基于VSM的建模方法，通过模拟不同工艺参数的不确定性，对三种场景下的制造成本和碳足迹进行了详细分析。这种方法不同于传统的高阶计算模型，它能够提供更贴近实际生产情况的评估结果。在SC2场景下，由于水基正极和硅负极的协同效应，整体制造成本和碳足迹都有显著的改善。然而，在SC3场景下，虽然成本节省潜力较大，但其实际效果受制于当前工艺的成熟度。

在评估过程中，考虑到不同工艺对制造设备和操作条件的影响，本文对参数进行了概率分布建模。例如，水基正极的涂布速度因干燥时间的延长而有所下降，而硅负极的涂布速度则因电极层的变薄而有所提高。这些参数的变化直接影响了制造流程的能耗和成本结构。通过模拟不同参数组合下的制造流程，本文得出了关于三种场景下制造成本和碳足迹的详细分布情况。

### 环境与经济的平衡

在环境和经济之间寻求平衡是评估电池制造技术的关键。本文指出，虽然SC3在减少碳足迹方面表现出色，但其经济优势并不明显，甚至在某些情况下可能增加运营成本。而SC2则在成本和碳足迹之间找到了较好的平衡点，尤其是在当前的工艺条件下，其成本节省潜力更大。因此，SC2被认为是最具前景的制造技术，能够在降低制造成本的同时，减少碳足迹。

此外，本文还指出，制造流程中的不确定性是影响评估结果的重要因素。例如，水基正极的固体含量和硅负极的涂布速度等参数的不确定性可能导致不同的成本和碳足迹结果。因此，评估过程中需要考虑这些参数的变化范围，以确保结果的全面性和准确性。

### 未来展望

随着技术的不断成熟和工艺的优化，SC2和SC3都有望成为下一代电池制造的重要技术。特别是SC2，由于其在成本和碳足迹上的双重优势，可能在未来成为主流技术。而SC3则在减少碳足迹方面表现突出，但其经济优势仍需进一步验证。

本文的研究为电池制造技术的评估提供了新的视角，即通过VSM建模方法，考虑不同工艺参数的不确定性，以获得更全面的经济和环境影响分析。这种分析方法不仅适用于当前的制造场景，也为未来的技术发展提供了指导。此外，本文还强调了不同地区在技术采纳上的差异，例如欧洲和美国在可持续电池技术上的投资，以及亚洲市场在成本控制方面的努力。这些地区的技术发展路径和市场需求差异，将影响未来电池制造技术的选择和应用。

综上所述，本文通过详细的建模和评估，展示了水基正极与硅负极组合技术以及溶剂自由电极技术在电池制造中的潜在影响。这些技术的引入不仅有助于降低制造成本，还能减少碳足迹，从而推动电池制造向更加可持续的方向发展。未来的研究需要进一步探索这些技术在更高能量密度和更复杂工艺条件下的表现，以确保其在实际应用中的可行性和优势。